Pour l’obtentio n du Diplôm Diplôm e d’Ingé d’Ingé nieur d’ Etat :
Economie de l’eau de procédé à PMP (Pakistan Maroc Phosphore) Phosphore) Présenté par :
Kamal NASSEREDDINE
Soutenu Soutenu publiquem publiquement ent le 22 juin 2010 devant les membres membres de Jury Jury :
An né e Un iv ersi taire : 2009-2010 2009-2010
Au term terme e de ce trav travai ail, l, je tiens tiens à expr exprim imer er mes vifs vifs rem remerci erciem emen ents ts à La dire direct ctio ion n de Pakistan Pakistan Maroc Phosphore Phosphore (PMP) pour son accueil. accueil.
Ce stage s’est déroulé déroulé sous le parraina parrainage ge de Monsieur Monsieur Mohammed Mohammed KOUIS, KOUIS, Ingénieur Ingénieur et Chef de service sulfurique sulfurique et utilités utilités de Pakistan Pakistan Maroc Phosphor Phosphore, e, que je remercie remercie vivement pour sa disponibilité, ses précieux conseils et ses encouragements permanents tout au long de ma période de stage.
Je tiens à exprimer exprimer ma reconnaissan reconnaissance ce à Monsieur Monsieur Abellatif Abellatif CHEIKH, CHE IKH, Ingénieur Ingénieur Docteur Docteur et Chef de de divisio division n de produ productio ction n à Pakista Pakistan n Maroc Maroc Phosph Phosphore ore,, pour son accueil accueil,, sa disponibilité disponibilité et ses précieux conseils. conseils.
Mes remerciem remerciements ents s’adressent s’adressent égalemen égalementt à Monsieur Monsieur Aziz AMINE, AMINE , mon parrain parrain de stage à l’établissement pour sa disponibilité, l’aide précieuse et les conseils qu’il m’a donné pendant l’élaboration de mon PFE.
J’exprime également également ma ma gratitude à M. Kamal KHAMLACH, M. Mohammed ELHATTAB, ELHATTAB, M. Yous Yousse seff KHALFA KHALFAOU OUI, I, M.You M.Youss ssef ef ELAMRA ELAMRANI, NI, M. Ra Rado doua uane ne JEDBA JEDBAOU OUI, I, M. ASSIM ASSIMI, I, M. Hicham KARIM, M. Fakhredd Fakhreddine ine ELHAMI, les agents agents de la salle de contrôle contrôle sulfuriqu sulfurique e et phosph phosphori oriqu que e de PMP ainsi ainsi que que les les agents agents du du labor laboratoi atoire re CERPHOS CERPHOS pour leur leur disponibilité, les informations qu’ils m’ont donné donné et leur aide.
Enfin, que toute personne ayant contribué de près ou de loin à la réalisation de ce travail, trouver ici l’expression de mon profond respect et gratitude.
Kamal NASSEREDDINE
Au term terme e de ce trav travai ail, l, je tiens tiens à expr exprim imer er mes vifs vifs rem remerci erciem emen ents ts à La dire direct ctio ion n de Pakistan Pakistan Maroc Phosphore Phosphore (PMP) pour son accueil. accueil.
Ce stage s’est déroulé déroulé sous le parraina parrainage ge de Monsieur Monsieur Mohammed Mohammed KOUIS, KOUIS, Ingénieur Ingénieur et Chef de service sulfurique sulfurique et utilités utilités de Pakistan Pakistan Maroc Phosphor Phosphore, e, que je remercie remercie vivement pour sa disponibilité, ses précieux conseils et ses encouragements permanents tout au long de ma période de stage.
Je tiens à exprimer exprimer ma reconnaissan reconnaissance ce à Monsieur Monsieur Abellatif Abellatif CHEIKH, CHE IKH, Ingénieur Ingénieur Docteur Docteur et Chef de de divisio division n de produ productio ction n à Pakista Pakistan n Maroc Maroc Phosph Phosphore ore,, pour son accueil accueil,, sa disponibilité disponibilité et ses précieux conseils. conseils.
Mes remerciem remerciements ents s’adressent s’adressent égalemen égalementt à Monsieur Monsieur Aziz AMINE, AMINE , mon parrain parrain de stage à l’établissement pour sa disponibilité, l’aide précieuse et les conseils qu’il m’a donné pendant l’élaboration de mon PFE.
J’exprime également également ma ma gratitude à M. Kamal KHAMLACH, M. Mohammed ELHATTAB, ELHATTAB, M. Yous Yousse seff KHALFA KHALFAOU OUI, I, M.You M.Youss ssef ef ELAMRA ELAMRANI, NI, M. Ra Rado doua uane ne JEDBA JEDBAOU OUI, I, M. ASSIM ASSIMI, I, M. Hicham KARIM, M. Fakhredd Fakhreddine ine ELHAMI, les agents agents de la salle de contrôle contrôle sulfuriqu sulfurique e et phosph phosphori oriqu que e de PMP ainsi ainsi que que les les agents agents du du labor laboratoi atoire re CERPHOS CERPHOS pour leur leur disponibilité, les informations qu’ils m’ont donné donné et leur aide.
Enfin, que toute personne ayant contribué de près ou de loin à la réalisation de ce travail, trouver ici l’expression de mon profond respect et gratitude.
Kamal NASSEREDDINE
acide phosphorique : unité de concentration de l’acide phosphorique 28% en acide concentré de titre 54%. c’est un procédé par lequel les eaux eaux d’alimentation de la chaudière de production production de vapeur subissent un traitement traitement de réglage de pH, d’élimination de l’oxygène dissoute et l’élimination des traces de sels responsables de l’entartrage. : : c’est un système de sécurité dans dans la centrale à vapeur sert à détendre et désurchauffer la vapeur HP en cas d’arrêt à l’improviste de la turbine à vapeur, ce système comporte principalement une vanne de détente (de 60 bar à 4,5 bar) et une vanne d’injection d’eau pour abaisser la température (de 400°C à 260°C). réacteur polyphasique dont les réactifs sont, l’acide sulfurique, l’eau et le phosphate brut. c’est une eau désilicée (déminéralisée (déminéralisée avec élimination élimination poussée de la silice par une résine anionique forte), conditionnée (ajout de réactifs) et préchauffée destinée à l’alimentation de la chaudière sulfurique. : il s’agit d’un circuit fermé d’eau de refroidissement de certains équipements et courants courants chauds. chauds. Ce circuit dispose dispose de deux deux pompes pompes de refoulemen refoulementt de grande grande puissance, d’un ballon d’appoint et d’un réfrigérant à eau de mer. Phosphoric Acid Plant ou Atelier phosphorique comporte 4 grandes étapes de transformation des phosphates brutes en acide phosphorique, préparation de la boue, attaque dans le réacteur, filtration et enfin concentration. Pakistan Maroc Phosphore, c’est une filiale du Groupe OCP dont le capital est divisé en 50% pour l’OCP et 50% pour le groupe pakistanais Fauji. Sulfuric Acid Plant ou Atelier sulfurique de production production de l’acide sulfurique. Unité de de traitement déminéralisée et l’eau potable
des eaux dont les produits produits principaux principaux sont l’eau
un procédé procédé avec lequel lequel le souffre est main maintenu tenu à l’état liquide dans dans son transport et son stockage à l’usine. Une turbine à vapeur sert à faire tourner un ventilateur de grande puissance qui permet d’aspirer le débit d’air nécessaire à la combustion du souffre.
Introduction………………………………………………………………………………………………………… Problémati Problématique que et contexte contexte du projet……………………………………………………………………….. projet……………………………………………………………………… .. Chapitre I : Présentation de la société et description des des ateliers de l’usine I. II.
Présen Présentati tation on de PMP................................................................ PMP ............................................................................................................................ ............................................................ 2 Descri Descriptio ption n des des proc procéd édés és de de fabri fabricati cation on au sein sein de de PMP PMP ...................................................... 4 1. Atelier Atelier sulfur sulfuriqu ique e ................................................................ ............................................................................................................................... ............................................................... 4 1.1. 1.1. Combus Combustion................................................................................................ tion.................................................................................................................................. .................................. 4 1.2. 1.2. Conver Conversion sion............................................................................ ................................................................................................................................... ....................................................... 4 1.3. 1.3. Absorption Absorption................................................................ ................................................................................................................................ .................................................................... ....5 5 1.4. 1.4. Circuit Circuit eaux eaux de l’atelie l’atelierr sulfur sulfuriqu ique................................................................ e...................................................................................... ......................5 5 2. Atelier Atelier utilité utilitéss ................................................................ ................................................................................................................................ ...................................................................... ......7 7 2.1. 2.1. Unité Unité de traitem traitemen entt des des eaux eaux douces douces (TED) (TED) ................................................................ ................................................................... ...7 7 2.2. 2.2. Central Centrale e à vapeu vapeur................................................................................................ r....................................................................................................................... ....................... 8 3. Atelier Atelier phosph phosphori orique................................................................................................ que..................................................................................................................... ..................... 11 3.1. 3.1. Princi Principe pe généra générale................................................................ le.................................................................................................................... .................................................... 11 3.2. 3.2. Section Section ma manu nuten tention tion et broyage broyage du phosph phosphate.......................................................... ate.......................................................... 11 3.3. 3.3. Section Section attaque................................................................ attaque....................................................................................................................... ....................................................... 11 3.4. 3.4. Section Section filtrati filtration on ........................................................................... ..................................................................................................................... .......................................... 13 3.5. 3.5. Concent Concentra ration tion de l’acide l’acide................................................................ ...................................................................................................... ...................................... 13 Chapitre Chapitre II : Partie Projet
I.
Collecte Collecte des donné données es de bases................................................................ bases........................................................................................................ ........................................ 14 1. Usage Usage des des eaux eaux dans dans l’usine l’usine PMP................................................................ PMP.............................................................................................. .............................. 14 2. Quali Qualité té des des différ différen ents ts types types d’eau d’eau (hors (hors eaux eaux de mer)..................................................... mer)..................................................... 14 2.1. 2.1. Eaux douces douces ou brutes......................................................................... brutes.......................................................................................................... ................................. 14 2.2. 2.2. Eaux déminé déminéral ralisée iséess (désili (désilicée cées) s)................................................................ ..................................................................................... ..................... 14 2.3. 2.3. Eaux aliment alimentair aires................................ es................................................................................................ ................................................................................... ................... 15 3. Bilans Bilans de ma masse sse (eau (eaux x douc douces es & démi déminé néral ralisée isée)) ................................................................ 15 3.1. 3.1. Bilans Bilans globau globaux................................ x................................................................................................ .......................................................................................... .......................... 15 3.1.1. 3.1.1. Atelier Atelier sulfur sulfuriqu ique e (SAP)................................................................ (SAP) .............................................................................................. .............................. 15 3.1.2. 3.1.2. Central Centrale e à vapeur........................................................................................................... vapeur........................................................................................................... 15 3.1.3. 3.1.3. Unité Unité de traitem traitemen entt des eaux eaux de procéd procédé é (TED) (TED) .............................................. 16 3.1.4. 3.1.4. Atelier Atelier Phosph Phosphori oriqu que e (PAP) (PAP) ................................................................ ...................................................................................... ...................... 17
4.
Identification des pertes (quantité et qualité), sources de pertes………………………19 4.1. Etude quantitative.................................................................................................................. 20 4.1.1. Débits totaux.................................................................................................................... 20 4.1.2. Débits partiels des rejets ............................................................................................ 21 4.1.2.1. Atelier sulfurique ...................................................................................................... 21 4.1.2.2. Centrale à vapeur ...................................................................................................... 21 4.1.2.3. Unité de traitement des eaux................................................................................ 21 4.1.2.4. Atelier phosphorique............................................................................................... 21 4.2. Etude qualitative..................................................................................................................... 22 4.2.1. Rejets de l’atelier sulfurique...................................................................................... 22 4.2.2. Rejets de la centrale à vapeur................................................................................... 22 4.2.3. Rejets de l’unité de traitement des eaux............................................................... 22 4.2.4. Rejets de l’atelier phosphorique.............................................................................. 22
II. Solutions proposées.............................................................................................................................. 24 1. Actions à la source pour limiter les pertes............................................................................ 24 1.1. Identification du nombre de purgeurs automatiques à caractère défaillant.. 24 1.2. Gestion du bac à effluents phosphorique…………………………………………………....24 2. Actions en aval pour récupérer les rejets.............................................................................. 24 2.1. Récupération des rejets de l’atelier sulfurique et de la centrale à vapeur....... 24 2.2. Etude de la faisabilité technique de la proposition................................................... 27 2.2.1. Conception et dimensionnement des différents appareillages ................... 27 2.2.1.1. Filtre du condensat de traçage de soufre......................................................... 27 2.2.1.1.1. Support métallique du filtre............................................................................ 27 2.2.1.1.2. La cartouche du filtre......................................................................................... 28 2.2.1.2. Dimensionnement du réfrigérant des eaux collectées .............................. 28 2.2.1.2.1. 1er choix : Echangeur à tube de faisceau et calandre........................... 28 2.2.1.2.2. 2ème choix : Echangeur à plaques .............................................................. 30 2.2.1.3. Dimensionnement de l’aérocondenseur .......................................................... 30 2.2.1.4. Dimensionnement des fosses ............................................................................... 31 2.2.1.4.1. Fosse sulfurique................................................................................................... 31 2.2.1.4.2. Fosse centrale à vapeur.................................................................................... 33 2.2.1.5. Tuyauterie et pertes de charges .......................................................................... 33 2.2.1.5.1. Tuyauterie.............................................................................................................. 33 2.2.1.5.2. Pertes de charges................................................................................................ 34 2.2.1.6. Dimensionnement des pompes........................................................................... 34 2.2.1.6.1. Calcul de la HMT de chaque pompe............................................................. 34 2.2.1.6.2. Calcul de la puissance hydraulique utile.................................................... 34 2.3. Récupération des effluents de l’unité de traitement des eaux douces .............. 35
III. Etude économique……………………………………………………………………………………………....36 1. Evaluation des gains directs des actions proposées.............................................................. 36
1.1. Gains des actions à la source.................................................................................................. 36 1.2. Gains des actions de récupération en aval........................................................................ 36 2. Evaluation du coût d’investissement........................................................................................... 36 2.1. Principaux équipements.......................................................................................................... 36 2.1.1. Echangeurs de chaleur..................................................................................................... 36 2.1.1.1. Echangeur à faisceau tubulaire............................................................................ 36 2.1.1.2. Echangeur à plaques ................................................................................................ 38 2.1.2. Aérocondenseur ................................................................................................................ 39 2.1.3. Fosses à eaux ...................................................................................................................... 40 2.1.4. Pompes .................................................................................................................................. 40 2.1.5. Filtre de condensat du traçage du soufre ................................................................. 41 2.1.6. Tuyauterie ............................................................................................................................ 41 3. Coût opératoire .................................................................................................................................... 43 4. Amortissement via les gains............................................................................................................ 44 Conclusions & perspectives………………………………………………………………………………………45 Références bibliographique………………………………………………………………………………………46 Annexe 1………………………………………………………………………………………………………………….47 Annexe 2………………………………………………………………………………………………………………….56 Annexe 3………………………………………………………………………………………………………………….57 Annexe 4………………………………………………………………………………………………………………….61
Tableau I.1 : Analyse physico-chimique de l’eau brute................................................................. 14 Tableau I.2 : Analyse physico-chimique de l’eau déminéralisée................................................ 14 Tableau I.3 : Analyse physico-chimique de l’eau alimentaire de la chaudière sulfurique15 Tableau I.4 : Débits d’entrée et de sortie en eau de l’atelier phosphorique.......................... 17 Tableau I.5 : Tableau récapitulatif des bilans globaux................................................................... 19 Tableau I.6 : Tableau récapitulatif des rejets des différents ateliers....................................... 20 Tableau I.7 : Qualité des eaux de rejets de l’atelier sulfurique................................................... 22 Tableau I.8 : Qualité des eaux de rejets de la centrale à vapeur ................................................ 22 Tableau I.9 : Qualité des eaux de rejets de l’unité de traitement des eaux............................ 22 Tableau I.10 : Qualité des eaux collectées dans le bac à effluents phosphorique ............... 23 Tableau II.1 : Propriétés et conditions d’exploitation du filtre.................................................. 27 Tableau II.2 : Dimensions du filtre ........................................................................................................ 27 Tableau II.3 : Caractéristiques techniques de la cartouche filtrante........................................ 28 Tableau II.4 : Données de dimensionnement du réfrigérant des rejets collectés............... 29 Tableau II.5 : Simulation du réfrigérant à faisceaux tubulaires................................................. 29 Tableau II.6 : Simulation de l’échangeur à plaques de refroidissement des rejets............. 30 Tableau II.7 : Simulation de l’aérocondenseur de condensation de la vapeur de dégazage thermique........................................................................................................................................................ 31 Tableau II.8 : Tuyauterie du circuit proposé pour récupérer les rejets.................................. 33 Tableau II.9 : Pertes de charges linéaires et singulières dans la tuyauterie du circuit proposé............................................................................................................................................................. 34 Tableau II.10 : Calcul de la puissance utile des pompes du circuit proposé ......................... 34 Tableau III.1 : Quantité récupéré et gains réalisés………………………………………………………38 Tableau III.2 : Evaluation du prix d’achat de l’échangeur à faisceau tubulaire.. ……………36 Tableau III.3 : Evaluation du coût d’investissement de l’échangeur à faisceau tubulaire37 Tableau III.4 : Evaluation du prix d’achat de l’échangeur à plaques........................................ 38 Tableau III.5 : Evaluation du coût d’investissement de l’échangeur à plaques.................... 38
Tableau III.6 : Evaluation du prix d’achat de l’aérocondenseur................................................. 39 Tableau III.7 : Evaluation du coût d’investissement de l’aérocondenseur ............................ 39 Tableau III.8 : Evaluation du coût d’investissement d’une fosse............................................... 40 Tableau III.9 : Evaluation du prix d’achat d’une pompe................................................................ 40 Tableau III.10 : Evaluation du coût d’investissement d’une pompe......................................... 41 Tableau III.11 : Evaluation du coût d’achat du filtre....................................................................... 41 Tableau III.12 : Evaluation du coût d’achat de la tuyauterie....................................................... 41 Tableau III.13 : Coût d’investissement global avec échangeur à faisceau tubulaire.......... 42 Tableau III.14 : Coût d’investissement global avec échangeur à plaques .............................. 42 Tableau III.15 : Calcul du coût de revient énergétique du circuit proposé……………………43
Figure I.1 : Bilan global en eau de l’atelier sulfurique.................................................................... 15 Figure I.2 : Bilan global en eau de la centrale à vapeur................................................................. 16 Figure I.3 : Bilan global en eau l’unité de traitement des eaux................................................... 16 Figure I.4 : Bilan global en eau de l’atelier phosphorique............................................................ 17 Figure I.5 : Schéma récapitulatif des bilans globaux effectués sur la totalité des ateliers18 Figure I.6 : Sources de pertes en eaux dans la SAP……………………………………………………...19 Figure I.7 : Sources de pertes en eaux dans la centrale à vapeur…………………….……………20 Figure II.1 : Flow-sheet simplifié de la modification proposée pour récupérer les rejets de l’atelier sulfurique et la centrale à vapeur.................................................................................... 25 Figure II.2 : Schéma montrant l’approvisionnement en eau de refroidissement des rejets collectés............................................................................................................................................................ 26 Figure II.3 : Image et composantes du support métallique du filtre........................................ 28 Figure II.4 : Fosse de collecte des effluents collectés dans l’atelier sulfurique.................... 32 Figure II.5 : Fosse de collecte des purges de la centrale à vapeur............................................. 33 Figure II.6 : Réseau de collecte et d’évacuation des effluents de la TED ................................ 35
La réutilisation de l'eau, le recyclage et la récupération de l'eau, expressions largement utilisées ces dernières années, désignent l'utilisation bénéfique des rejets correctement et soigneusement récupérés. Grâce à la réutilisation de l'eau, les rejets ne sont plus envisagés comme un problème de mise au rebut mais comme une ressource précieuse qui peut conduire à une économie importante en eau et par conséquent une réduction des rejets d’où la minimisation de l’impact sur le milieu naturel que se soit par la préservation des ressources de la région ou bien la limitation des rejets pollués. Combien coûte votre eau en tenant compte de l'achat, du pompage, de conditionnement, du traitement, du stockage ainsi que de la maintenance, de la main d'œuvre et de la mise au rebut des rejets ? Et quels sont les gains que peut générer la réutilisation ?
Le diagnostic, la mise en place d’un plan d’actions et le suivi. Thermes très entendus en management industriel. Le diagnostic représente un moyen précieux pour identifier les anomalies et détecter ses origines, le plan d’actions représente la procédure à suivre pour y remédier et le suivi reste le seul moyen pour contrôler et poursuivre le bon déroulement de ces actions. Dans ce contexte, vient ce projet pour diagnostiquer le problème des pertes en eaux à la PMP notamment l’eau décilisée dans la centrale à vapeur et la SAP et pour proposer des actions susceptibles de conduire à une consommation rationnelle des eaux. Notre objectif est la mise en place des actions permettant une limitation des pertes que se soit par des actions à la source ou bien d’autres en aval dont le but de les évaluer et les réutiliser. De même une sensibilisation du personnel peut être envisagée pour lutter contre le gaspillage et inciter les gens à penser à la philosophie de l’économie d’eau.
Description des ateliers de l’usine I.
Pakistan Maroc Phosphore (PMP) est une joint-venture entre l’Office Chérifien des Phosphates (OCP) et le groupe pakistanais Fauji Fertilizer. En Septembre 2004, trois entreprises pakistanaises, Fauji d'engrais Bin Qasim (FFBL), Fondation Fauji (FF), et société Fauji d'engrais (FFC) sont entrées dans une joint-venture avec l'Office Chérifien des Phosphates (Groupe OCP) pour créer "Pakistan Maroc Phosphore S.A", avec un chiffre d'affaires de 800 millions de dirhams. Le groupe OCP tenait 50% des parts alors que les 50% restants sont partagés entre les sociétés pakistanaises (FFBL 25%, FF 12,5%, et FFC 12%). La construction de PMP a démarré en janvier 2005, pour un montant d’investissement global de 2,03 milliards de dirhams et sur une superficie de 18 hectares. Cette usine comporte une unité de production d’acide sulfurique de 1.125.000 tonnes/an dédié pour la production d’acide phosphorique, une unité de production d’acide phosphorique de 375.000 tonnes/an destiné à couvrir le 2/3 des besoins du marché pakistanais ainsi qu’une centrale thermoélectrique de 32 MW pour couvrir les besoins en énergie électrique. La production de l’acide phosphorique au sien de PMP a démarrée en avril 2008 avec une capacité de production annuelle de 375.000 tonnes d’acide phosphorique dont environ 2/3 est destinée à Fauji au Pakistan. PMP a assurée la création 180 emplois permanents pendant la phase d’exploitation et ses besoins en phosphate sont 1,370 million de tonnes/an.
Pakistan Maroc Phosphore comporte quatre principaux ateliers :
Une unité de production d’acide sulfurique de capacité 3 410 TMH/J utilisant le procédé à double absorption, MONSANTO (USA). Cette installation comporte principalement : -
Une Turbosoufflante ;
-
Une chaudière ;
-
Des échangeurs thermiques ;
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Description des ateliers de l’usine -
Un convertisseur ;
-
Un four de combustion.
Une unité de production d’acide phosphorique de capacité 1135 tonnes d’acide phosphorique (P2O5) par jour. Le procédé utilisé est JACOBS. Cette installation comporte : - Un Hangar de stockage des phosphates bruts ; - Un système de broyage : broyage humide avec un système de sélection et de
séparation des grains ; - 1 réacteur avec flash-cooler ; - Une unité de lavage des gaz venant de la réaction d’attaque des phosphates; - 2 filtres à cellules basculantes ; - Quatre échelons de concentration de 330 tonnes P 2O5 par jour chacun, à
échangeurs tubulaires de graphite ; - Des réservoirs de stockage de l’acide 28% et 54%.
- Une centrale thermoélectrique avec un groupe turboalternateur de 32 MW ; - Une unité de traitement des eaux de capacité maximale de 200 m3/h ; - Un bassin de reprise d’eau de mer de 15.000 m 3/h ; - Une station de compression d’air.
PAKISTAN MAROC PHOSPHORE dispose de plusieurs ateliers de services :
Maintenance mécanique Maintenance électrique & régulation; génie civil ; magasin général des pièces de rechanges.
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Description des ateliers de l’usine
- Capacité nominale : 3410 T/j d’acide sulfurique; - Procédé
: MONSANTO à double absorption.
La fabrication de l’acide sulfurique est réalisée en trois étapes : - Combustion de soufre en dioxyde de soufre; - Conversion de dioxyde de soufre SO2 en trioxyde de soufre SO3; - Absorption de SO3 dans de l’eau pour avoir de l’acide sulfurique H2SO4.
Ces réactions de transformation sont extrêmement exothermiques ce qui permet à l’usine PMP une certaine autonomie énergétique par la récupération de cette chaleur pour produire de l’énergie électrique nécessaire au fonctionnement des différents équipements de l’usine Le soufre est reçu à PMP sous forme liquide : fondu et filtré. Il est stocké dans deux bacs réchauffés pour le maintenir à l’état liquide. Le soufre liquide passe dans une fosse pour qu’il soit pompé vers le four où se fera la combustion avec de l’air sec. Ce dernier qui provient de la tour de séchage après avoir été aspiré par la turbosoufflante. Au niveau du four, il y a combustion du soufre en dioxyde de soufre SO2 à une température de 1120°C. L’équation de la réaction est :
Ensuite, les gaz de combustion passent dans la chaudière pour se refroidir et par la suite nous obtenons de la vapeur saturée qui est ensuite surchauffée dans des surchauffeurs pour avoir de la vapeur HP, une partie de cette vapeur est dédiée pour faire tourner la turbosoufflante alors que la grande partie de cette vapeur est consacrée dans la centrale thermoélectrique pour produire de l’énergie électrique. Les gaz de combustion sont envoyés vers le convertisseur de 4 lits catalytiques de pentoxyde de vanadium, dont le but est de transformer SO2 en SO3 selon la réaction exothermique suivante:
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Description des ateliers de l’usine
⇄
Lors du passage d’un lit à autre les gaz SO2 et SO3 sont refroidit par l’intermédiaire d’échanges thermiques gaz / gaz ou liquide /gaz (économiseurs ou surchauffeurs).
C’est la dernière étape du processus, elle consiste à absorber le gaz SO3 provenant du convertisseur et le transformer en acide sulfurique H2SO4 au niveau des deux tours d’absorption intérimaire et finale.
Ensuite l’acide sulfurique est stocké pour être acheminé vers l’atelier phosphorique et en faible quantité vers l’atelier de traitement des eaux. Les eaux préchauffées et conditionnées venant de la centrale passent au premier lieu dans des économiseurs pour récupérer l’énergie dégagée lors de la conversion et avoir une eau sous forme de liquide saturé, ensuite ces eaux passent dans le ballon de la chaudière pour se vaporiser et produire une vapeur saturée qui passe dans des surchauffeurs pour produire de la vapeur HP qui est par la suite utilisée en partie pour entrainer la rotation de la turbosoufflante et en autre partie pour générer de l’énergie électrique nécessaire au fonctionnement des différents équipements de l’usine. L’eau utilisée dans la dilution de l’acide venant des tours d’absorption est une eau déminéralisée livrée directement de la TED sans conditionnement. Pour plus de détail sur ce circuit voir le flow sheet de l’atelier dans la page suivante, courants désignés en bleu.
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Description des ateliers de l’usine
Circuit gaz Circuit acide Circuit eaux et vapeur
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Description des ateliers de l’usine
Cette unité comporte principalement : -
Deux chaînes de traitement d’eau permettant la production de différentes qualité d’eau : Eau filtrée, eau désilicée et eau potable ;
-
Une station de compression d’air permettant le conditionnement d’air pour les besoins d’instrumentation et de service.
Dans le but de satisfaire les différents besoins des ateliers de PMP en eau, l’usine dispose d’une station de traitement des eaux (TED). Elle délivre différentes qualités d’eaux - L’eau filtrée, utilisée généralement pour l’alimentation des chaînes de
déminéralisation, le bac d’eau potable et pour le lavage des filtres ;
Description des ateliers de l’usine
Cette unité comporte principalement : -
Deux chaînes de traitement d’eau permettant la production de différentes qualité d’eau : Eau filtrée, eau désilicée et eau potable ;
-
Une station de compression d’air permettant le conditionnement d’air pour les besoins d’instrumentation et de service.
Dans le but de satisfaire les différents besoins des ateliers de PMP en eau, l’usine dispose d’une station de traitement des eaux (TED). Elle délivre différentes qualités d’eaux - L’eau filtrée, utilisée généralement pour l’alimentation des chaînes de
déminéralisation, le bac d’eau potable et pour le lavage des filtres ; - L’eau potable; - L’eau déminéralisée ; - L’eau brute, sans aucun traitement livrée vers l’atelier phosphorique.
L’eau arrive au bassin de stockage 1 (voir figure 4), puis elle est pompée vers le réservoir de stockage 2. Le traitement des eaux commence dans les chaines de filtration (3 & 4) où les eaux subissent une filtration sur sable pour éliminer la matière en suspension suivie d’une autre sur charbon pour éliminer la matière organique et le chlore résiduel. L’eau produite de cette filtration est stocké dans un réservoir d’eau filtré (5), l’eau filtré alimente la chaine de déminéralisation qui comporte un échangeur cationique fort suivie d’un dégazeur et un échangeur anionique à deux lits, un faible (partie inférieur) et un autre fort (partie supérieur). L’eau produite est stocké dans un bac à eaux déminéralisées. Enfin les eaux utilisées pour alimenter la chaudière de production de la vapeur HP subissent un plissage sur un échangeur à lit mélangé et envoyées vers la centrale.
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Description des ateliers de l’usine
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1
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7 8 6 4 3
1 : Bassin de stockage de l’eau brute 2 : Réservoir de stockage de l’eau brute 3 : Filtre bicouche à sable 4 : Filtre à charbon actif 5 : Réservoir d’eau filtré 6 : Echangeur cationique
7 : Dégazeur de CO2 8 : Echangeur anionique 9 : Réservoir d’eau déminéralisée 10 : Echangeur Mixed Bed 11: Fosse à effluents de la TED
La centrale à vapeur comporte : -
Un groupe turbo alternateur de 32 MW, permettant la production de l’énergie électrique par la transformation de l’énergie thermique récupérée au niveau de l’atelier de production d’acide sulfurique ;
-
Condenseur à eau de mer de la vapeur BP restants après détente de la vapeur HP dans la turbine,
-
Barillet collecteur de vapeur BP satisfaisant les besoins en BP dans la centrale alimentant l’unité de concentration de l’acide phosphorique avec de la vapeur BP avec les exigences d’exploitation de cette dernière,
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Description des ateliers de l’usine -
Bâche alimentaire équipé d’un dégazeur thermique de l’eau alimentaire avec de la vapeur venant du barillet collecteur de vapeur BP.
Au départ, l’eau désilicée venant de la TED subit un préchauffage dans le réchauffeur (voir flow sheet), après cette étape nous procédons par un dégazage thermique au niveau du dégazeur accompagné d’un autre chimique dans la bâche alimentaire par injection de l’hydrazine. De même une correction de pH par ajout de l’ammoniac est réalisée dans cette étape. Les eaux préchauffées et conditionnées dans la centrale sont envoyées vers la SAP par des pompes de grandes puissances qui débitent 180 m3/h sous une pression d’environ 80 bars. De la SAP, la centrale reçoit deux charges : la vapeur HP qui est envoyée directement vers la turbine pour produire de l’électricité et la vapeur BP envoyée vers le Barillet collecteur de la vapeur BP. Après détente dans la turbine une partie de la vapeur BP est collectée dans le barillet alors que le reste est condensé dans un condenseur à eaux de mer et envoyé sous forme de retour condensat à la TED. Les besoins en vapeur BP pour le dégazage thermique et l’atelier phosphorique sont assurés par la vapeur BP collectée dans le barillet.
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Description des ateliers de l’usine
10
Description des ateliers de l’usine - Capacité nominale
: 1135 tonnes de P2O5/Jour d’acide, qualité marchande
54% ; - Procédé
: JACOBS;
- Système de broyage
: broyage humide ;
- Filtration
: filtre à cellules basculantes ;
- Concentration
: Quatre échelons de 330 tonnes P2O5 par échelon, à
.
échangeurs tubulaires en graphite.
L’atelier phosphorique sert à produire de l’acide phosphorique concentré à 54% en P2O5. Cet atelier comporte cinq sections principales : - Section de manutention et Broyage du phosphate ; - Section Attaque ; - Section Filtration ; - Section concentration ;
Description des ateliers de l’usine - Capacité nominale
: 1135 tonnes de P2O5/Jour d’acide, qualité marchande
54% ; - Procédé
: JACOBS;
- Système de broyage
: broyage humide ;
- Filtration
: filtre à cellules basculantes ;
- Concentration
: Quatre échelons de 330 tonnes P2O5 par échelon, à
.
échangeurs tubulaires en graphite.
L’atelier phosphorique sert à produire de l’acide phosphorique concentré à 54% en P2O5. Cet atelier comporte cinq sections principales : - Section de manutention et Broyage du phosphate ; - Section Attaque ; - Section Filtration ; - Section concentration ; - Section Stockage.
L’acide est obtenu par attaque directe du phosphate brut par l’acide sulfurique. Le broyage se fait par voie humide, un débit d’eau est injecté proportionnellement au débit du phosphate (0,5 m3 d’eau /tonne phosphate). La pulpe est collectée dans un petit bac légèrement agité pour assurer le dégazage et éviter la cavitation des pompes situées sur les circuits de la pulpe. La pulpe est ensuite criblée, le refus des cribles est broyé avant d’alimenter le bac de stockage de pulpe, qui est équipé d’un agitateur pour le maintien des solides en suspension, avant de l’acheminer vers la cuve d’attaque. Cette section comporte essentiellement : -
Une cuve d’attaque ;
11
Description des ateliers de l’usine -
Un système de refroidissement ;
-
Trois cuves de digestion.
La cuve d’attaque est une cuve circulaire construite en béton armé. La réaction d’attaque des phosphates bruts est donnée par l’expression suivante : Ca 3 PO4 2 3H2SO4 6H2 O 3 CaSO4 , 2H2 O 2H3 PO4
Chaque compartiment est équipé avec des agitateurs à pales, permettant une bonne incorporation des éléments entrants et un bon mélange. D’autre part, les compartiments de la cuve d’attaque sont communiquant permettant ainsi à la bouillie de circuler d’un compartiment à l’autre avant de passer vers les 3 digesteurs. La cuve d’attaque dispose d’un flash-cooler avec deux pompes de circulation de grand débit permettant le refroidissement de la bouillie. Les gaz de réaction sont collectés par deux ouvertures (hottes) pour être envoyés vers le système de lavage des gaz. Celui-ci maintient une légère dépression dans la cuve de manière à éviter l’échappement des gaz de réaction à l’atmosphère. La pulpe de phosphate provenant du bac à pulpe est introduite dans la cuve d’attaque où elle sera attaquée avec de l’acide sulfurique concentré.
Les réactions chimiques se produisant dans la cuve d’attaque ainsi que la dilution de l’acide sulfurique étant exothermiques, il est nécessaire de refroidir la bouille à une température de l’ordre de 78 °C. Pour cela un flash-cooler est mis en place.
Ces digesteurs, sous forme de bacs agités, servent à augmenter les temps de séjour de la bouillie permettant de maximiser le rendement chimique pour cristalliser le gypse dihydrate pour avoir une bonne filtration par la suite.
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Description des ateliers de l’usine La bouillie venant de la cuve d’attaque alimente deux filtres horizontaux à cellules basculantes sous vide. A la sortie des cellules nous obtenons de l’acide phosphorique 28% P2O5 et le gypse. Le gypse est finalement lavé à l’eau de procédé et déchargé, par rotation de la cellule basculante, dans une trémie arrosée avec de l’eau de mer pour l’évacuer vers la mer. L’acide phosphorique 28% P2O5, est acheminé vers une unité de stockage et puis, selon la cadence, il est envoyé vers les échelons de concentration pour avoir de l’acide 54%. L’acide phosphorique titrant 28% P2O5 est acheminé vers quatre échelons de concentration pour atteindre un titre de 54% P2O5 et devenir un acide marchand répondant aux exigences des clients.
L’opération de concentration se fait par le chauffage indirect de l’acide avec de la vapeur basse pression au niveau d’un échangeur tubulaire en graphite. Cette opération est suivie par une évaporation sous vide. L’acide produit passe ensuite vers une unité de stockage et par la suite transférer vers la station de chargement des navires.
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Etude quantitative & qualitative L’eau est utilisée dans diverses activités dans le procédé de fabrication de l’acide phosphorique qui est le produit final de la filiale Pakistan Maroc Phosphore. Nous présentons ici les différents types d’eaux avec son usage :
cette eau est utilisée principalement dans l’absorption de SO3 pour produire de l’acide sulfurique H2SO4 et comme appoint pour la chaudière sulfurique pour produire de la vapeur qui est utilisée par la suite pour produire de l’énergie électrique et la concentration de l’acide phosphorique. utilisées comme appoint pour produire de l’eau désilicée et dans la préparation de la boue de phosphate, réglage de taux de solide dans la cuve d’attaque (réacteur phosphorique), la filtration de l’acide 28% et dans les opérations de lavage et de nettoyage. Eau potable : alimente tous les bâtiments de l’usine ; Eaux de lavage des filtres et de régénération des résines échangeuses d’ions ; utilisées dans les opérations de refroidissement, de condensation et dans l’évacuation du phosphogypse produit par la réaction entre le phosphate brut et l’acide sulfurique.
Dans le tableau ci-dessous, nous montrons les analyses de l’eau brute fournie par l’ONEP : Tableau I.1 : Analyse physico-chimique de l’eau brute Conductivité Turbidité SiO2 Cl2 libre Paramètre TH °F ms/cm NTU (ppm) (ppm) Eaux brutes 1,32 0,5 30,4 4,53 0,27
pH 7
Les analyses de l’eau déminéralisée (désilicée) sont regroupées dans le tableau suivant : Tableau I.2 : Analyse physico-chimique de l’eau déminéralisée Paramètre
Conductivité µs/cm
pH
TH °F
SiO2 (ppm)
Chlorure (ppm)
Fe (ppm)
Eaux déminéralisées
0,7
6,5
0
0
0
0
14
Etude quantitative & qualitative Nous montrons dans le tableau I.3 les paramètres indicateurs de la qualité des eaux d’alimentation de la chaudière sulfurique. Tableau I.3 : Analyse physico-chimique de l’eau alimentaire de la chaudière sulfurique Conductivité SiO2 Chlorure O2 Paramètre pH TH °F Fe (ppm) µs/cm (ppm) (ppm) (ppm) Eaux 8,6-9,2 0 0 0 0 0,04 alimentaires 4-5
Ces bilans vont être réalisés en prenant les ateliers comme des boites noires, on ne s’intéresse qu’aux entrées et sorties de l’atelier afin d’évaluer les pertes totales.
Le bilan global en eau dans cet atelier peut être schématisé comme suit :
Vapeur HP : 131 T/h Eaux alimentaires : 180 T h Atelier sulfurique (SAP) Vapeur BP : 41 T/h
Purges, rejets :8T h
Après avoir réalisé ce bilan, nous avons évalué les pertes en eaux désilicées à 8 T/h équivalent à 8m3/h d’eau froide.
Le bilan global en eau dans cet atelier est schématisé dans la figure I.2 dans la page suivante :
15
Etude quantitative & qualitative
Vapeur BP (CAP) : 120 T/h
Extraction turbine (TED) : 43 T/h Vapeur HP : 131 T/h
Eaux déminéralisées : 178 T h Centrale à vapeur Vapeur BP : 41 T/h
Purges, rejets :7T h
SAP : 180 T/h
Ce bilan nous a permis d’identifier les pertes globales en eaux dans la centrale à vapeur qui sont de l’ordre de 7 T/h.
Nous donnons ci-dessous dans la figure I.3 le bilan global des eaux dans l’unité de traitement des eaux : Eaux potable : 1,67 m3/h
Eaux douce : 50 m3 h
Centrale à vapeur : 178 T/h
Unité traitement des eaux douces (TED)
Rejets : 7,33 m3/h
SAP : 26 m3/h
16
Retour condensat : 163 m3/h
Etude quantitative & qualitative Le bilan global en eau dans cet atelier peut être schématisé comme suit : Vapeur BP : 120 T/h
Eaux brutes : 340 m3 h H2SO4 à 98,5% : 2,5 m3/h Contenue dans l’acide H2 SO4
ACP 54% : 92 m3/h Atelier Phosphorique Rejets : 229 m3/h
Humidité de phosphate : 13 2 m3 h
Vers bac à effluents : 34 7 m3 h Retour condensat : 120 T/h
Nous donnons plus de détail sur les rejets de cet atelier dans le tableau I.4 : Tableau I.4 : Débits d’entrée et de sortie en eau de l’atelier phosphorique débit Sortie débit m3/h Entrée m3/h Eau brute 340 ACP 54% 92 Teneur (acide sulfurique 98,5 %) 2,5 Condensat de 28% 116 Humidité de phosphate 13,2 Réaction d’attaque 73 Humidité de gypse 40 Bac à effluents 34,7 Total 355,7 Total 355,7
Les rejets de l’atelier phosphorique comportent essentiellement la vapeur condensée venant de l’acide phosphorique 28% qui est estimée à , la teneur en eau dans le phosphogype venant de la filtration de l’ordre de 20 à 25 % en poids estimée à et l’eau consommée par la réaction d’attaque qui est estimée à . Alors les effluents liquides disponibles dans cet atelier sont de l’ordre de collectés dans le bac à effluents phosphorique et réutilisés partiellement dans la cuve d’attaque Nous présentons dans la page suivante dans la figure I.5 un schéma récapitulatif où figurent les différents ateliers et courants d’eaux (douces et déminéralisées).
17
Etude quantitative & qualitative
18
Etude quantitative & qualitative De même, dans le tableau ci-dessous, nous présentons les débits des différents courants d’eaux décrits dans le schéma récapitulatif des bilans globaux. Tableau I.5 : Tableau récapitulatif des bilans globaux Débits horaires massiques (T/h)
Eaux douces 340 50 Eaux 5,83 43 déminéralisées
1,50
1,67
48,50
7,33
92
26
172
120
180
120
116 34,7 113
2,5
7
8
178
26
: Le courant 10 comporte la teneur en eau (liée et libre) dans le gypse di-hydrate formé par la réaction d’attaque des phosphates bruts avec de l’acide sulfurique. Dans les figures suivantes, nous représentons les différentes sources de pertes en eaux dans la SAP et la centrale à vapeur. Purgeurs automatiques défaillants
Condensat de traçage de soufre
Condensat de la turbosoufflante
Condensat de la vapeur HP & BP
Purges de la chaudière sulfurique
19
Etude quantitative & qualitative
Purges du contournement de la centrale
Vapeur de dégazage thermique
D’après les données que nous avons pu collectées dans cette partie de ce travail, nous donnons dans ce qui suit un tableau récapitulatif des différentes pertes identifiées dans les différents ateliers de l’usine. Tableau I.6 : Tableau récapitulatif des rejets des différents ateliers Ateliers
Débit (m3/h) Nature d'eau
SAP
Centrale à vapeur
TED
PAP
8
7
7,33
34,7
Eaux déminéralisées
Eaux déminéralisées
Eaux salines et acides
Eaux salines et acides
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Etude quantitative & qualitative Nous indiquons dans ce qui suit les pertes en détail par nature et équipement : Les pertes dans cet atelier sont regroupées comme suit :
Pertes sous forme de vapeur
Ce genre de pertes dues à la défaillance des purgeurs automatiques, ces pertes sont estimées à 5 T/h.
Purges de la chaudière sulfurique
Ce sont des purges continues pour éviter l’accumulation en sels dans le ballon de la chaudière, le débit de purges est de l’ordre de 0,95 m3/h.
Condensat de traçage de souffre
C’est un condensat venant d’une vapeur BP collecté dans une conduite, son débit est estimé à 0,80 m3/h.
Purges turbosoufflante et condensat de la vapeur HP & BP
Après détente de la vapeur HP dans la turbosoufflante, une fraction non négligée de condensat est éliminée, cette fraction vaut 0,4 m3/h. De même le transport de la vapeur HP & BP présente une quantité de condensat récupérée de l’ordre de 0,85 m 3/h. Les pertes dans cet atelier sont regroupées comme suit :
Le dégazage thermique de l’eau génère une perte de 4 T/h de vapeur envoyée vers l’atmosphère. Les purges venant du contournement sont estimées à 3 m3/h.
Les rejets de cette unité sont regroupés comme suit :
Eaux de lavages des filtres à sable et à charbon : environ 36 m3/j. Eaux de régénération des échangeurs d’ions : environ 140 m3/j.
Les pertes de cet atelier sont expliquées en détail dans la partie bilans globaux, atelier phosphorique.
21
Etude quantitative & qualitative Nous présentons ici une étude qualitative des eaux de rejets identifiées dans l’étude quantitative susceptibles de nous guider afin de proposer de meilleures solutions pour récupérer ou bien trouver des moyens pour réutiliser ces rejets. Les analyses indicatrices de la qualité de ces rejets sont regroupées dans le tableau suivant : Tableau I.7 : Qualité des eaux de rejets de l’atelier sulfurique Taux de SiO2 Fe Conductivité Température P2O5 pH chlorure TH °F (ppm (ppm Paramètres µs/cm °C ppm (ppm) ) ) Rejets (SAP) 9,5 8 0 75 3 0 0 0
Nous donnons dans le tableau I.8 les analyses physico-chimiques des rejets de la centrale à vapeur : Tableau I.8 : Qualité des eaux de rejets de la centrale à vapeur Taux de Conductivité Température TH SiO2 Paramètres pH chlorure µs/cm °C °F (ppm) (ppm) Rejets de la centrale à 8,6 4,5 0 75 0 0 vapeur
Fe (ppm) 0
Les paramètres indicateurs de la qualité des eaux de rejets de cette unité sont regroupés dans le tableau I.9 : Tableau I.9 : Qualité des eaux de rejets de l’unité de traitement des eaux Conductivité Taux de chlorure Température Paramètres pH µs/cm (ppm) °C Eaux de lavage & 1~ 2 17325 1080 22 Régénération
La qualité de ces rejets dépend de plusieurs facteurs notamment les opérations de nettoyage des équipements et des bacs de stockage et ses dates de réalisation ce qui
22
Etude quantitative & qualitative portent à ces eaux une qualité variable au cours du temps. Nous donnons ci-dessous une moyenne des analyses de deux échantillons ont été prélevés séparément pendant une semaine. Tableau I.10 : Qualité des eaux collectées dans le bac à effluents phosphorique Paramètres Eaux bac à effluents (PAP)
pH 1
Conductivité ms/cm P2O5 % en poids 45,05
5,59
Chlorure (g/l) 4
Nous recommandons les exploitants de cet atelier de procéder par un suivi d’analyses pour avoir une base de données sur les fluctuations de la qualité des effluents collectés dans le bac afin de s’assurer de la qualité des eaux collectées et éviter son débordement
23
Etude technique Les purgeurs automatiques défaillants identifiés sont 33 donnés comme suit :
3 purgeurs dans la manutention de l’eau alimentaire de la centrale jusqu’à la chaudière sulfurique ;
6 purgeurs de vapeur de refroidissement des brûleurs du soufre liquide dans le four ;
8 purgeurs du réseau de transport de la vapeur HP & BP ;
16 purgeurs du réseau de traçage de soufre ;
Ces purgeurs doivent être renouvelés et entretenus afin de réduire les pertes en vapeur et allonger leur durée de vie. Le bac à effluents phosphorique doit être maitrisé surtout son niveau de remplissage et le synchroniser avec la consommation pour éviter son débordement vers égout. Avec cette action qui demande un engagement direct du personnel de la PAP, nous pouvons économiser une quantité considérable en eaux qui est malheureusement difficile à quantifier vu que le niveau dans le bac est tellement variable au cours du temps. Pour maitriser son niveau, nous proposons de planifier les opérations de lavage et de nettoyage de telle sorte à s’assurer de la quantité envoyée vers ce bac. Nous proposons de collecter les rejets de la centrale à vapeur dans une fosse, les pomper et les mélanger avec les rejets de l’atelier sulfurique dans une grande fosse qui sera construite dans ce dernier, par la suite les refroidir dans un réfrigérant et enfin les utiliser dans la dilution de l’acide sulfurique (Ballon de dilution). Avec cette modification, nous allons économiser un débit horaire de 10 m3 des eaux déminéralisées. Nous donnons dans la figure II.1 un flow sheet simplifié du réseau de cette proposition. Et par la suite, nous présentons une étude plus détaillée pour dimensionner et étudier la faisabilité technique des différentes composantes du circuit proposé.
24
Etude technique
B1 : Ballon de purges de la chaudière sulfurique
1 : Chaudière sulfurique
(existant)
2 : Condensat de traçage de soufre
B2 : Filtration du condensat traçage du soufre
3 : Purges de la turbosoufflante
F1 : Fosse des rejets atelier sulfurique
4 : Condensat de la vapeur HP & BP
F2 : Fosse des rejets centrale
5 : Purges de la centrale à vapeur
Avec fosse dans la centrale à vapeur
R : Réfrigérant
6 : Vapeur de dégazage thermique
fosse dans la centrale à vapeur AC :Sans Aérocondenseurs
7 : Ballon de dilution de H2SO4
P1, P2 : Pompes
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Etude technique L’eau de refroidissement est assurée par le circuit NORIA qui a une pression de l’ordre de 7 bars au refoulement et 4 bars au retour. Nous donnons ci-dessus un flow sheet simplifié de ce réseau avec sa connexion au circuit proposé dans la figure II.2.
Appoint en eau
’
S
R
’
’
E
R
P
E
S
E : Entrée eaux chaudes S : Sortie eaux chaudes refroidies E’ : Entrée eau de mer S’ : Sortie eau de mer R : Réfrigérant des eaux chaudes récupérées P : Pompe de refoulement du réseau NORIA R’ : Réfrigérant à eau de mer du réseau NORIA Il nous reste l’évaluation des pertes de charge à travers l’échangeur pour s’assurer de sa synchronisation avec les pressions dans le réseau NORIA. Le refroidissement des eaux récupérées permet une stabilité du système par contre il présente un inconvénient majeur qui est l’investissement et l’exploitation qui seront relativement élevés.
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Etude technique Le retour condensat de traçage de soufre doit subir une filtration avant d’être récupéré pour protéger les systèmes en aval en cas de fuite de soufre vers le condensat récupéré. Pour cela, nous proposons une filtration sur un filtre de type à usage industriel. Ces filtres sont équipés d'origine d'un tamis filtrant allant de 5 µm à 500 µm, de deux manomètres, et d'une vanne de purge. Un collier de serrage en acier inoxydable assure la fermeture et l'étanchéité du filtre via un O-ring. Nous donnons dans le tableau II.1 les propriétés et les conditions d’exploitation du support métallique du filtre utilisé dans la filtration du condensat venant du traçage de soufre. Tableau II.1 : propriétés et conditions d’exploitation du filtre Matériau Inox 304 Pression max de fonctionnement 15 bar Température de fonctionnement 0°C + 100°C min/max Débit traité 6,3 m3/h Le tableau ci-dessus représente les dimensions du support métallique du filtre en question : Tableau II.2 : dimensions du filtre Mode Dimensions (mm) Poids (kg) fixe
A B C 110 354 146
16,44
Dans la figure II.3, nous présentons une image du filtre accompagnée par un schéma des différentes composantes du support du filtre :
27
Etude technique
Une variété de cartouches filtrantes est disponible sur le marché, pour notre cas nous optons pour une cartouche à base de polypropylène résistante à la chaleur. Les caractéristiques techniques de cette cartouche sont données dans le tableau II.3 : Tableau II.3 : Caractéristiques techniques de la cartouche filtrante 100% Matière Polypropylène Longueur de la cartouche 9"3/4 Diamètre intérieur 28 mm Diamètre extérieur 61 mm Pression max de fonctionnement 6 bar Température max de travail 80 °C Particule éliminée 100 µm et plus Perte de charge 0,15 bar Pour dimensionner ce genre d’échangeur, nous procédons par la méthode de Kern (Voir partie dimensionnement des échangeurs dans l’annexe 1). Dans le tableau II.3, nous donnons les données de calcul et dans le tableau II.4, la simulation de l’échangeur permettant d’évaluer la surface d’échange et les paramètres de fonctionnement.
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Etude technique Tableau II.4 : données de dimensionnement du réfrigérant des rejets collectés
75
0,1
33
8,4
25
0,90305835
30
21,4216948
10500 1
958 3,70E-04
0,00014354 1
997
0,001003
2500 2 1 0,254 0,25 0,2 0,084582 0,0254
0,00014354
Tableau II.5 : Simulation du réfrigérant à faisceaux tubulaires Flux de chaleur Q (en kcal/h) Débit eau D2 (en kg/h) Surface d'échange m2 A' d0 (en m) Longueur tube l (en m) Surface du tube (en m2) Nt' (par calandre) Nt(par calandre) Ntp di (en m) Vi (en m/s) Surface d'échange corrigée en m2 Us corrigé (en kcal/h.m2 .k)
441000 88200 9,1186163 0,01905 3,05 0,182441 49,98 52
Rei
31538,46
f t
1,19E-02
9414,48
Rect
29312,063
fct
0,2388395
Nc (nombre de chicanes)
26 0,01224 1,00 Diamètre équivalent De (en m) 9,5 2402,9301
hi (kcal/s.m².k) he (kcal/s.m².k)
29
12 78201,57
0,0241 1,47 1,33
Etude technique 2.2.1.2.2. 2ème choix : Echangeur à plaques Les données de calcul de ce réfrigérant sont les mêmes que celui à faisceaux tubulaires, nous donnons ci-dessous un tableau récapitulatif de la simulation de la surface d’échange de cet échangeur : Tableau II.6 : Simulation de l’échangeur à plaques de refroidissement des rejets Quantité de chaleur échangée Q (Kcal/h) 441000 Différence de Température Logarithmique Moyenne DTLM °C 21,42 Coefficient d'échange global U (kcal/h.m2.°C) 4000 Surface d'échange A (m2) 5,14 D’après ces résultats, nous voyons bien que l’installation d’un échangeur à plaque sera plus intéressante (moins d’investissement et d’encombrement), reste à demander des fournisseurs les pertes de charge à travers cet échangeur pour étudier la compatibilité avec le système de refroidissement et celui de pompage envisagé. Pour plus de détail sur la méthode de calcul de la surface d’échange de ce type d’échangeur, vous pouvez se référer à la partie consacrée à ce type d’échangeur dans la partie bibliographie de ce rapport (annexe 2). Le dimensionnement de cet équipement requis le calcul de la surface d’échange, la puissance absorbée par le moteur du ventilateur, la longueur des tubes et la largeur de l’aérocondenseur, l’algorithme de calcul de ces paramètres est donné dans la partie dimensionnement des aérocondenseurs dans l’annexe 3. Le tableau II.6 dans la page suivante donne la simulation du système en question :
30
Etude technique Tableau II.7 : Simulation de l’aérocondenseur de condensation de la vapeur de dégazage thermique capacité calorifique de l'eau CP (eau) Kcal/kg.k 1 capacité calorifique de vapeur CP (vapeur) Kcal/kg.k 0,478 Chaleur latente de vaporisation de l'eau Lv eau Kcal/kg 539,0752 Température entrée vapeur T1 (°C) 110 Température sortie condensat T2 (°C) 70 Température entrée air Ta (°C) 25 Débit de vapeur à condenser M (kg/h) 4000 2295439,56 Quantité de chaleur à éliminer Q (Kcal/h) Rapport thermique R 0,470 Chaleur calorifique réduite S 27,005 Résistance globale r (h.m2.°C/kcal) 0,0003 Résistance au transfert due au métal rm (h.m2.°C/kcal) 0,00015 Coefficient de film extérieur ra (h.m2.°C/kcal) 0,00102 Coefficient d'échange global U (kcal/h.m2.°C) 680,27 Température de sortie de l'air Th (°C) 60 Le rapport P pour calculer F P 0,875 Facteur de correction de DTLM F 0,95 Différence de Température Logarithmique Moyenne DTLM (°C) 47,45 Facteur de calcul de la puissance K 0,55 Puissance absorbée Pcv (kW) 14,85 Largueur de l’aérocondenseur l(m) 1,66 Différence de Température Logarithmique Moyenne corrigée DTLM' (°C) 45,08 Surface d'échange A (m2) 74,84 Nous proposons de construire une fosse à eau avec du béton armé revêtue avec des briques antiacides résistantes à l’eau déminéralisée et à la chaleur (fosse F1), les dimensions utiles de la fosse sulfurique sont données comme suit : 2 m de longueur, 1,5 m de hauteur tandis que la largeur est de l’ordre de 1,5 m. Avec ces dimensions nous assurons une capacité de stockage de 4,5 m3 qui nous permet d’avoir un temps de passage d’environ 30 minutes pour un débit horaire de 10 m3.
31
Etude technique
2,12
Briques antiacides
2,42
Voile 1,56
Radier
0,2
Bêton de propreté
2,72
2,42
Nous signalons que l’épaisseur des voiles vaut 25 cm alors celui des briques antiacide est 6 cm.
Béton : Volume béton de propreté : 2, 6 2 2, 92 0,10 0, 7 6
3
;
Volume du radier : 2, 4 2 2, 7 2 0, 2 0 1, 31
Volume du voile : 2,12 2,42 1,56 1,62 2,12 1,56 2,64 m3 ;
Volume de toiture: 2,12 2, 4 2 0,1 0, 51
m
m
3
3
;
.
Armatures : Ration de 100 kg par mètre cube de béton, ce qui nous donne : M = 522 kg ; Briquetage antiacides (épaisseur de 6 cm): Fond : 1, 6 2 2,1 2 3, 4 3 m 2 ;
Voile : 2 1,621,50 2 2,001,50 10,86 m2 ; Volume total : 14, 2 9 0, 0 6 0, 86
m
m
3
.
Caoutchoutage (épaisseur 3 cm), de surface de: 1 4 , 2 9
32
m
2
.
Etude technique nous signalons que le caoutchouc est utilisé entre le béton armé et les briques antiacides. La fosse de collecte des purges de la centrale thermoélectrique (figure II.5) comporte deux petites fosses de dimension 1 1 1 m3 reliée par un caniveau.
Fosse :
Fosse :F2
purges de contournement .
La fosse 1 sera construite directement au dessous de la conduite de contournement pour récupérer ses rejets qui sont en principe chaudes et sous pression. Cette fosse déborde par un caniveau vers la 2ème fosse où les rejets totaux de la centrale seront collectés et pompés vers la fosse F1 dans la SAP. Nous admettons que ces deux fosses avec le caniveau requis les mêmes quantités en matériaux de construction que la fosse sulfurique. Nous indiquons ici les longueurs des différentes conduites du réseau proposé pour récupérer les rejets de la centrale et de l’atelier sulfurique ainsi que les singularités et les diamètres des conduites. Tableau II.8 : Tuyauterie du circuit proposé pour récupérer les rejets Vitesse Longueur Nombre de singularité Débit Diamètre de la d'écoulement (m) (Coude serré à 90°) (m3/h) conduite (in) (m/s) Centrale vers SAP SAP
125
5
7
2
1 1/4"
81
5
10
2
1 1/2"
les conduites et les coudes sont en Inox 304 qui résiste à l’eau déminéralisée et l’eau chaude.
33
Etude technique Dans le tableau II.7, nous calculons les pertes de charges linéaires et celles singulières. Les pertes de charges linéaires sont tirées directement d’un abaque (voir Annexe 4, partie calcul des pertes de charges alors que le coefficient de calcul des pertes de charges singulières est tiré du tableau donné dans le même annexe). Tableau II.9 : Pertes de charges linéaires et singulières dans la tuyauterie du circuit proposé pertes de Pertes k Pertes Pertes de Pertes de Nombre de charges de Longueur charges charges singularités linéaires/ charges tuyauterie dans (Coude singulières singulières (Coude mètre de linéaires (m) /coude l'échangeur totales serré serré 90°) conduite totales (m H2O) (m H2O) 90°) (m H2O) (mmCE/m) (m H2O) Centrale vers SAP
125
5
135
16,875
1
0,0999
****
0,5
SAP
81
5
110
8,91
1
0,0999
0,94
1,44
HMT de la pompe P1 (voir la méthode de calcul dans l’annexe 4, partie dimensionnement des pompes) :
Nous avons HA HD = 6 m, HL = 8,91m et HS =1,44. Alors HMT = 6 + 8,91 + 1,44 = 16,35 (m H2O);
HMT de la pompe P2 :
Nous avons HA HD =0m, HL =16,875 m et HS =0,5. HMT = 16,875+ 0,5 = 17,37 (m H2O) Le tableau II.8 récapitule le calcul de la puissance hydraulique utile des deux pompes. Tableau II.10 : Calcul de la puissance utile des pompes du circuit proposé Puissance utile Pompes Débit m3/s HMT (m H2O) (W) P1 0,0028 16,35 450 P2 0,0019 17,37 323
34
Etude technique Les eaux de rejets de cette unité comportent les eaux de lavages des filtres et de régénération des résines échangeuses d’ions utilisées pour déminéraliser les eaux, ces rejets seront pompés vers l’atelier phosphorique. Nous présentons ici un schéma simplifié du circuit de ces rejets.
RC : résine cationique RA : résine anionique Filtres
RC
MB
RA
MB : mixed bed
Vers l’atelier phosphorique
7,33 m3/h
: Ce circuit est existant et disponible à l’usage. Cette action ne demande pas d’investissement et elle est applicable par un simple pont de communication entre les responsables de d’unité de traitement des eaux et de l’atelier phosphorique. Cette action nous permet d’économiser un débit moyen de 7,33 m3/h en eaux brutes à l’entrée de l’atelier phosphorique.
35
Etude économique Le renouvellement et l’entretien continue des purgeurs automatiques assureront certes une économie jusqu’à 3 T/h de vapeur équivalent à 3 m3/h d’eaux déminéralisées sans compter les gains énergétiques. Ces actions nous permet d’ : -
Economiser 10 m3/h en eaux déminéralisées (désilicées) dans la SAP et la Centrale à vapeur. Economiser 7,33 m3/h en eaux brutes dans la PAP.
Le tableau III.1 récapitule les économies en eaux de procédés envisagées par les actions décrites dans l’étude technique sans compter les gains en eaux dans les actions à la source (renouvellement des purgeurs et gestion du bac à effluents phosphorique). Tableau III.1 : Quantité récupéré et gains réalisés Nature d'eau Quantité (m3/h) Coût unitaire (DH/m3) Gains annuels (DH) Eaux déminéralisées 10 24 1 900 800 Eaux douces 7,33 4 23 2214,4 Total *** *** 2 133 014,4 D’après ces résultats, nous voyons bien que nous pouvons réaliser des Gains bruts annuels jusqu’à 2,13 MDH. NB : nous n’allons pas prendre en compte les gains de renouvellement des purges en attendant la réponse des fournisseurs concernant le coût d’investissement de ces équipements.
Nous présentons ici une évaluation du coût direct d’investissement pour monter un réfrigérant des eaux collectées dans la SAP avec une étude comparative entre un échangeur à faisceau tubulaires et un autre à plaques. Dans le tableau III.2, nous donnons l’évaluation du coût d’achat de cet échangeur.
36
Etude économique
Tableau III.2 : Evaluation du prix d’achat de l’échangeur à faisceau tubulaire Echangeur à faisceau tubulaire Prix de base (Euro mi-2000) 7000 Facteurs correctifs Type d'échangeur AEU ( f d ) 0,9 Langueur du faisceau ( f l )
1,13
Nombre de passe coté tube ( f np )
1
Pression ( f p )
1
Température ( f t )
1
Matériau ( f m )
1,9
L’investissement global de l’échangeur est calculé par la méthode utilisant des facteurs multiplicatifs variables. Cette méthode repose sur l’affectation des facteurs aux différentes composantes du coût d’investissement global et enfin en tirer un facteur multiplicatif qui corrige le prix d’achat de l’équipement pour avoir une estimation acceptable du coût d’investissement global de l’équipement en question. Dans le tableau III.3, nous donnons l’échangeur à faisceau tubulaire.
le calcul du coût d’investissement global de
Tableau III.3 : Evaluation du coût d’investissement de l’échangeur à faisceau tubulaire Echangeur à faisceau tubulaire Matériel principal 100 Matériel secondaire Tuyauterie et vannes 45 Génie civil 5 Structures métalliques 10 Instrumentation 10 Equipement électrique 2 Peinture 1 Montage Frais indirects de chantiers
60 84
Total Facteur multiplicatif ( f g )
317 3,17
37
Etude économique Dans le tableau III.4, nous donnons l’évaluation du prix d’achat de l’échangeur à plaques. Tableau III.4 : Evaluation du prix d’achat de l’échangeur à plaques Echangeur à plaques Prix de base (Euro mi-2000)
3000
Facteurs correctifs Pression ( f p )
1
Dans le tableau III.5, nous donnons le calcul du coût d’investissement global de l’échangeur à plaques. Tableau III.5 : Evaluation du coût d’investissement de l’échangeur à plaques Echangeur à plaques Matériel principal 100 Matériel secondaire Tuyauterie et vannes 45 Génie civil 5 Structures métalliques 10 Instrumentation 10 Equipement électrique 2 Peinture 1 Montage Frais indirects de chantiers
60 84
Total Facteur multiplicatif ( f g )
317 3,17
D’après ces résultats, nous voyons bien que l’échangeur à plaques coûte beaucoup moins cher que celui à faisceau tubulaire sans prendre en compte les performances de chacun en termes d’efficacité d’échange et de durabilité.
38
Etude économique
Dans le tableau III.6, nous donnons l’évaluation du prix d’achat de l’aérocondenseur. Tableau III.6 : Evaluation du prix d’achat de l’aérocondenseur Aérocondenseur Coefficient de calcul de prix de base (C) Prix de base (Euro mi-2000) Facteurs correctifs Epaisseur des tubes ( f e )
2 600 24 574,7058 1
Pression ( f p )
1
Longueur des tubes ( f l )
1
Nombre de rangées ( f N )
1,15
Matériau employé ( f m )
1,6 45 217,46
Dans le tableau III.7, nous donnons le calcul du coût d’investissement global de l’aérocondenseur. Tableau III.7 : Evaluation du coût d’investissement de l’aérocondenseur Aérocondenseur Matériel principal 100 Matériel secondaire Tuyauterie et vannes 14 Génie civil 2 Structures métalliques 20 Instrumentation 4 Equipement électrique 9 Peinture 1 Montage Frais indirects de chantiers
29 62
Total Facteur multiplicatif ( f g )
241 2,41
39
Etude économique
Nous présentons dans le tableau III.8 les prix de chaque composante de la fosse sulfurique et nous estimons que celle qui sera construite dans la centrale à vapeur coûte la même chose Tableau III.8 : Evaluation du coût d’investissement d’une fosse Désignation
Quantité
Béton (propreté) m3 Béton (radier et voiles) m3 Armature Kg Briquetage m3 Caoutchoutage m2
Prix unitaire en DH/unité HT
0,8
950
4 525 0,9 14,5
1500 25 19500 1000
Prix Total DH (HT) 760 6 000 13 125 17 550 14 500
Nota : Ce coût a été identifié sans compter le coût de la main d’œuvre.
Le coût d’achat des pompes est donné par une consultation auprès de la société Watec (voir références bibliographique). Nous donnons dans le tableau III.9 ce coût hors taxes. Tableau III.9 : Evaluation du prix d’achat d’une pompe Pompe
6 000
Nota : Nous signalons que les deux pompes sont semblables.
Pour évaluer le coût d’investissement global d’une pompe, nous avons procédé de la même manière que les autres équipements en se basant sur la méthode de calcul utilisant des facteurs multiplicatifs variables tirée du manuel d’évaluation économique cité dans la page références bibliographiques). Dans la page suivante, le tableau d’évaluation de ce coût est donné en indiquant les composantes de ce coût.
40
Etude économique Tableau III.10 : Evaluation du coût d’investissement d’une pompe Pompe Matériel principal 100 Matériel secondaire Tuyauterie et vannes 23 Génie civil 3 Structures métalliques Instrumentation 2 Equipement électrique 25 Peinture 1 Montage Frais indirects de chantiers
64 77
Total Facteur multiplicatif ( f g )
297 2,97
Le coût d’achat de ce filtre a été tiré de la même consultation que les deux pompes, nous signalons que cet équipement ne demande pas d’accessoires supplémentaires. Il reste seulement d’ajouter le coût de la main d’œuvre qui va l’installer. Le prix d’achat de ce filtre est donné dans le tableau III.11. Tableau III.11 : Evaluation du coût d’achat du filtre Filtre CINTROPUR
2 500
Le prix unitaire d’un mètre de longueur pour un diamètre donnée d’une conduite en Inox 304 et le coût d’achat de la tuyauterie nécessaire à la réalisation du circuit de réutilisation proposé sont donnés dans le tableau III.12. Tableau III.12 : Evaluation du coût d’achat de la tuyauterie Prix unitaire Prix total Tuyauterie longueur (m) Diamètre (in) (DH/m) (DH) Centrale vers SAP 125 1 1/4" 145 18 125 SAP 81 1 1/2" 220 17 820 35 945
41
Etude économique
Dans le tableau III.13, nous récapitulons le coût d’investissement global avec un réfrigérant à faisceau tubulaire. Tableau III.13 : Coût d’investissement global avec échangeur à faisceau tubulaire Equipement Coût d’investissement Echangeur à faisceau tubulaire 42 8777,4 Aérocondenseur 1 089 740,8 Filtre CINTROPUR 2 500 2 Fosses 2 51 935 2 Pompes 2 17 820 Tuyauterie 35 945
Total HT DH TVA 20% DH
1 696 473,2 339 294,64
Dans le tableau III.14, nous récapitulons le coût d’investissement global avec un réfrigérant à plaques. Tableau III.14 : Coût d’investissement global avec échangeur à plaques Equipement Coût d’investissement Echangeur à plaques 9 5100 Aérocondenseur 1 089 740,8 Filtre CINTROPUR 2 500 2 Fosses 2 51 935 2 Pompes 2 17 820 Tuyauterie 35 945
Total HT DH TVA 20% DH
1 362 795,8 272 559,16
Nota : Nous acceptons qu’un Euro en mi 2000 soit équivalent à 10 DH. Nous allons opter pour l’investissement avec échangeur à plaques, sauf ce choix doit être vérifié par une étude complémentaire de compatibilité de cet échangeur avec le système de refroidissement.
42
Etude économique -
Notre système comporte 3 systèmes de pompage et un moteur entrainant la rotation du ventilateur de l’aérocondenseur. Le tableau III.15 récapitule de coût énergétique du système proposé. Tableau III.15 : Calcul du coût de revient énergétique du circuit proposé
Equipement
P1 P2 Moteur AC
Puissance absorbée (KW) 0,7 0,5 15
Consommation journalière (kWh)
Prix unitaire (DH/kWh)
16,8 12 360 Total annuel en DH
1 1 1
Coût Coût opératoire opératoire annuel journalier (DH) (DH) 16,8 12 360
5544 3960 118 800 128 304
Avec P1 : pompe de refoulement des eaux collectées dans la SAP ; P2 : pompe de refoulement des collectées dans la centrale ; Moteur AC : Moteur de l’aérocondenseur de condensation de la vapeur de dégazage. La consommation électrique de la pompe de refoulement des effluents de la TED vers l’atelier phosphorique ne va pas être prise en compte car cette dernière ne fonctionne pas 24h/24h (elle est en fonction seulement pendant les cycles de lavage des filtres et de régénération des résines). -
Ce coût est nul pendant la durée de garantie. Pour cela, nous n’allons pas le quantifier dans l’évaluation du coût opératoire.
43
Etude économique La durée d’amortissement de l’investissement via les gains est donnée par l’expression suivante : T
Ci Ga
Avec T : La durée d’amortissement C i : Le coût d’investissement global
G a : Les gains nets annuels
T = 11 mois Après 11 mois de fonctionnement du système proposé, l’usine PMP va amortir son investissement par un autofinancement.
44
Les actions décrites dans ce projet permettent à la filiale PMP de réduire sa consommation en eaux désilicées jusqu’à 28% par le passage de 1100 m 3/jour à 788 m3/jour et jusqu’à 2% en eaux brutes de la consommation totale de l’atelier phosphorique par un passage de 8160 m3/jour à 7984m3/jour. Ce qui génèrera certes des gains nets annuels appréciables arrivant à 2,04 MDH après une durée d’autofinancement de l’investissement via les gains d’environ 11 mois. Ces gains nets ont été identifiés sans prendre en compte les gains indirects suivants: -
Augmentation du cycle de production d’eaux désilicées. Réduction de la consommation électrique au niveau de la TED. Réduction de la consommation annuelle des réactifs de régénération des résines.
Nous rappelons que cette étude ce n’est qu’une proposition et qu’il y’en a d’autres. Pour cela, il est recommandé de faire les études suivantes et les comparer avec celle-là pour opter enfin de compte pour la bonne solution en termes de faisabilité, simplicité et rentabilité : -
-
Etudier la possibilité de condenser la vapeur sortant du dégazeur dans le condenseur principale de la centrale à vapeur ; Etudier s’il y’a d’autres moyens de récupération des purges de contournement localement dans la centrale ; Etudier la possibilité de réutiliser les différents rejets (SAP et centrale) sans refroidissement soit dans la dilution d’acide ou les réutilisés comme retour condensat dans la TED. Réaliser un suivi de la qualité et la quantité des rejets de l’atelier phosphorique au niveau du bac à effluent en fonction des activités de l’atelier afin de pouvoir maitriser le niveau d’eau dans le bac et éviter son débordement vers égout.
45
Consultation auprès de la société Watec, 136, Bd IBN TACHFINE, N° 1 20300 CASABLANCA MAROC, Tél. : +212 22.60.26.60 / 60.82.40 / 61.85.57 / 62.14.94 Fax : +212 22 61 92 35 Le pétrole Raffinage et Génie Chimique, Appareils tubulaires d’échange de chaleur, TOME II, P.WUITHIER ; Manuel d’évaluation économique des procédés, méthodes pré-estime, les échangeurs à plaques, édition 2001, Alain CHAUVEL ; Manuel d’évaluation économique des procédés, méthodes pré-estime, les aéroréfrigérents, édition 2001, Alain CHAUVEL ; Manuel d’évaluation économique des procédés, méthodes pré-estime, les appareils d’échange tubulaires, édition 2001, Alain CHAUVEL ; Manuel d’évaluation économique des procédés, méthodes de détermination des investissements, Méthode utilisant des facteurs multiplicatifs variables, édition 2001, Alain CHAUVEL Service génie civil de Maroc Phosphore.
46
L’échangeur d’énergie thermique est un des instruments clé du thermicien ou de l’énergéticien, que son but soit la fabrication d’un produit dont l’élaboration passe par un ensemble de cycles où varient température et pression ou qu’il s’agisse de production d’énergie mécanique (ou électrique) à partir de l’énergie thermique. Essentiellement, un fluide chaud circule depuis une entrée de l’échangeur jusqu’à sa sortie en transférant une partie de son enthalpie à un fluide froid qui lui aussi circule entre une entrée et une sortie distinctes de celles du fluide chaud. On distingue généralement trois familles d’appareils, correspondant à des fonctions très spécifiques : -
-
-
Les échangeurs et réfrigérants dans lesquels ne se produit aucun changement de phase. La désignation « échangeur » est dédiée aux appareils où le transfert entre le fluide chaud et le fluide froid correspond effectivement à une récupération de la chaleur, alors que le terme « réfrigérant » s’applique aux appareils où l’on refroidit un effluent par un fluide auxiliaire. Les condenseurs qui permettent la condensation et le refroidissement d’un effluent vapeur en tête de colonne, soit à l’aide d’un produit froid, soit à l’aide d’un fluide auxiliaire (eau, produit frigorigène, air…). Les évaporateurs qui assurent une vaporisation des produits grâce à la circulation d’un produit chaud ou d’un fluide auxiliaire (vapeur d’eau).
Dans tout ce qui suit, nous ne traitons que les réfrigérants et les aérocondenseurs. Appareil à une passe côté calandre, deux passes côté tubes : Pour calculer la surface d’échange on utilise la méthode de qui est basée sur l’estimation du coefficient d’échange globale et la surface d’échange et par la suite les corriger pour aboutir à des résultats fiables. Cette surface d’échange est calculée par la méthode des moyennes logarithmiques de température, on donne Q U s .A.F.DTLM
Où : Q : Quantité de chaleur échangé (kcal/h)
47
Us : coefficient d’échange global (kcal/h.m2.°C) A : surface d’échange (m2) F : coefficient de correction DTLM : La différence de température logarithmique moyenne (°C)
DTLM
Tce Tfs Tcs Tfe T Tfs ln ce Tcs Tfe
Avec : Tce : Température d’entrée du courant chaud (°C) Tcs : Température de sortie du courant chaud (°C) Tfe : Température d’entrée du courant froid (°C) Tfs : Température de sortie du courant froid (°C)
-
Par définition les coefficients E et R sont donnés par les relations suivantes :
R
Tce Tcs Tfs
Tfe
et
E
Tfe Tce Tfe Tfs
Avec Tf : Températures fluide froid (°C) Tc : Températures fluide chaud (°C) L’indice e indique l’entrée alors que l’indice s indique la sortie. le coefficient de correction F :
1 E 1 E.R F 2 E R 1 R 2 1 (R 1) log 2 E R 1 R2 1
R 2 1 log
48
près le tableau V.1.8 on tire une valeur estimée du coefficient d’échange global, ce qui nous permet de calculer la surface d’échange de notre échangeur. A
Q U s.F.DTLM
Q : Quantité de chaleur échangé (kcal/h) Us’ : coefficient d’échange global (kcal/h.m2.°C) A’ : surface d’échange (m2) F : coefficient de correction DTLM : La différence de température logarithmique moyenne (°C)
Les grandeurs disponibles sur le marché : 6, 8, 10, 12, 16, 20 ft.
Nous distinguons la disposition pas carré et triangulaire, le choix d’une telle disposition dépend principalement par l’objectif de facilité le nettoyage en cas d’encrassement et d’efficacité d’échange.
A partir du tableau A.III.4 on commence notre calcul par le diamètre le plus grand et on calcul le nombre de tubes totale Nt ’ par la relation N 't
A
d e L
49
Puis, on vérifie si la valeur trouvée N't appartient à l'intervalle de valeurs dans la colonne correspondante à la fois au diamètre externe qu'on a choisit et au nombre de passe coté tubes (tableau V.1.4,) ; s'elle appartient en prend la valeur qui la suit directement dans la colonne soit Nt cette valeur, sinon on reprend le calcul avec la valeur du diamètre le plus petit qui suit.
Tableau V.1.4
50
Le nombre de tubes par passe et donné en divisant le nombre de tubes total par le nombre de passe côté tubes nt .
N tp
Nt nt
Parmi ceux disponibles pour chaque diamètre externe à condition qu'il assure une vitesse convenable du fluide, dans notre cas une vitesse compris de 1 et 2 m/s. A partir de l’expression du débit massique du fluide coté tube, nous faisons varier le débit diamètre interne des tubes afin de trouver un compromis entre les diamètres disponibles et la vitesse du fluide dans les tubes qui doit être comprise entre 1 et 2 m/s M N tp vi St
Avec M : Débit massique du fluide dans les tubes (Kg/s)
: Masse volumique du fluide côté tube. (kg/m3) Vi : vitesse de fluide à l'intérieur des tubes (m/s); Ntp : nombre de tube par passe St : la section droite du tube ; M
N tp v i d i2
vi
4
4M N tp d i2
Avec : di : diamètre interne des tubes de l’échangeur On corrige la valeur de la surface A et la valeur de Us :
A
Nt N
' t
Q Us A DTLM
A
Q Us A DTLM
51
Us
Us
N't Nt
a- Calcul du coefficient de film interne hi Dans le cas des réfrigérants, les coefficients de transfert relatifs à l’eau circulant à l’intérieur des tubes en régime turbulent sont obtenus à partir de l’équation simplifiée de Eagle & Ferguson valable pour une eau de température dans un intervalle de température (0-100 °C) : hi
900 1,352 0,02t u 0,8 d i0,2
Où t : Température moyenne de l’eau en °C ; u : vitesse de l’eau en m/s ; di : Le diamètre interne des tubes en mètre. b- Calcul du coefficient de film externe h0 Le coefficient de film externe est donné par l’expression suivante : h 0 .De
De .G cT 0,36
0,55
1/ 3
c.
Où : De : diamètre équivalent donné par la formule suivante :
2 d02 4 P 4 4P 2 d De d0 d 0 0 NB : cette corrélation n’est valable qu’en régime turbulente avec R e 2100 Avec P : pas entre les tubes, d0 : diamètre externe des tubes G cT : vitesse massique transversale
: Viscosité de l’eau à sa température : Conductivité thermique de l’eau c : Capacité calorifique de l’eau La vitesse massique transversale est calculée par l’aire de passage maximale, c'est-à-dire dans la section équatoriale de l’échangeur :
52
G cT
M a cT
L’aire de passage pour un échangeur de disposition de pas carré des tubes est donnée par l’expression suivante : a cT
Dc P
P d0 B
Où B, l’espacement entre les chicanes, P, le pas entre les tubes, Dc, diamètre de la calandre. G cL La vitesse massique longitudinale est calculée par l’expression ci-dessus, G cL
M a cL
Avec acL, l’aire de passage sous chicanes, cette aire est donnée comme suit : a cL
D 4
2 c
N t d 02 x
Où Nt : nombre de tubes du faisceau ; x : le rapport de l’aire du segment libre à la section intérieure de la calandre. Les pertes de charges à l’intérieur des tubes selon la méthode de Kern sont données par l’expression suivante :
Pt
n t G t2 f t l
Avec n t : Nombre de passes coté tubes ; G t : vitesse massique
M at
4 M nt
d i2 N t
;
53
di
2
f t : Coefficient de friction ;
: Masse volumique du fluide ;
Pt : Perte de charge (Pa) di : Diamètre interne des tubes (m); l
: Longueur des tubes (m) ;
Pour calculer f t , il est demandé de calculer le nombre de Reynolds qui vaut :
di G t
où est la viscosité du fluide dans les tubes, 32
-
Régime laminaire : Re inférieur à 2100 : f t
-
Régime turbulent : Re supérieur à 2100 : f t 0, 0028 0, 250 Re0,32 pour des tubes
Re
;
lisses. Les pertes de charge à l’extérieur des tubes c'est-à-dire côté calandre sont données par l’expression ci-dessous,
Pc
2 f cT G cT (N c 1)D c
De
Où : f cT : Le coefficient de friction exprimé en fonction du régime d’écoulement avec : -
Régime laminaire : f cT
30 d 0
P d0 RecT 0, 2
-
d0 Régime turbulent : f cT 1, 50 P d 0 Re cT , avec RecT nombre de Reynolds D G cT donné par l’expression : Re cT e ;
G cT : vitesse massique transversale ;
N c : Nombre de chicanes ;
: Masse volumique du fluide ; De : Diamètre équivalent ;
54
Dc : Diamètre de la calandre. L’expression de base de ce prix est donnée par l’expression suivante. Prix de l’échangeur = Prix de base
f d f l fnp f p f t fm
Le prix de base est tiré de l’abaque, figure A2.3.3 donné en fonction de la surface d’échange. Avec : f d : Facteur caractéristique du type de l’échangeur ;
f l : Facteur correctif de longueur des tubes ; f np : Facteur correctif tenant compte du nombre de passes côté tubes ; f p : Facteur correctif de pression dans la calandre et les tubes ; f t : Facteur correctif de température
f m : Facteur correctif suivant la nature du matériau employé.
Ces facteurs sont tirés des tableaux (A2.3.4 a, b, c, d, e, f et g).
55
La grandeur de dimensionnement des échangeurs à plaques est la surface et elle se calcule de façon similaire à celle des échangeurs tubulaires, c’est à dire en utilisant la formule suivante : Sech
Q U DTLM
Avec : Sech : Surface d’échange (m2), Q : Quantité de chaleur échangée (Kcal/h).
U : Coefficient d’échange global (Kcal/h.m2.°C), DTLM : Différence de température logarithmique moyenne (°C) La différence par rapport aux échangeurs classiques repose sur la valeur du coefficient U.
A titre indicatif, le tableau 2 donne un aperçu des niveaux indiqués par les fabricants.
Tableau 2 : échangeurs à plaques : valeurs du coefficient global de transfert Fluides utilisés Eau/eau Solution aqueuse visqueuse (50 cPo) /eau Huile minérale/eau Huile minérale/huile minérale Produits organiques (0,1 Kcal/h.m2.°C); (10 cPo)/eau Produits organiques (10 cPo)/eau
U (Kcal/h.m2.°C) 4000 à 6000 1000 à1500 500 à 1000 250 à 500 1800 à 2500 800 à 1200
Expression de base Prix corrigé = prix de base. f p Avec f p : facteur correctif de pression Le prix de base et le facteur correctif de pression dépendent du matériau utilisé (inox ou titane) et s’obtient respectivement à partir des abaques des figures A2.3.10 et A2.3.11.
56
Les aérocondenseurs peuvent être employés quand on veut utiliser l’air comme agent réfrigérant pour condenser une une vapeur qui doit doit rester contenue dans un circuit étanche. Ils se distinguent des aéroréfrigérants du type sec indirect en ce sens que : —dans les aéroréfrigérants, on refroidit de l’eau (ou un autre fluide fonctionnellement équivalent) qui est elle-même utilisée comme agent réfrigérant de la vapeur à condenser dans un condenseur eau-vapeur « classique » (le système est dit « indirect » à cause du circuit d’eau intermédiaire entre l’atmosphère et le condenseur) ; — dans les aérocondenseurs, aérocondenseurs, on traite la vapeur à condenser sans agent agent intermédiaire intermédiaire (le système est dit « direct »). La méthode consiste à déterminer les caractéristiques de l’appareil, en particulier la puissance absorbée par le ventilateur et le coût, à l’aide de coefficients (K et C) qui sont foncti fonction on : De la quantité quantité de de chaleur chaleur à élimin éliminer er Q ; Des températures d’entrée T1 et de sortie T2 du fluide fluide à refroid refroidir ir ; De la température t a d’entrée d’entrée de l’air ambiant ambiant ; De la résistance globale r due au transfert et à l’encrassement. Dans cette méthode, le dimensionnement d’un aéroréfrigérant et la détermination de son coût nécessitent la connaissance connaissance ou le calcul des paramètres paramètres suivants :
Le rapport rapport thermique thermique : R
T1 T2 T1 t a
La charge calorifique calorifique réduite réduite :
S
Q.10
03
T1 t a
Quantité Quantité de de chaleur chaleur à éliminer éliminer Q : La quantité de chaleur à éliminer éliminer pour une vapeur surchauffée est donnée par l’expre l’expression ssion : Q M Cp eau (100 Te ) M L v M Cp vap(T v 100)
Avec Avec M : Débit massique massique de de la vapeur vapeur à conden condenser ser ;
57
Cpeau : Capacité calorifique calorifique de l’eau l’eau à l’état liquide liquide ;
Lv : Chaleur latente latente de vaporisation vaporisation de l’eau ; Cpvap : Capacité calorifique calorifique de la vapeur vapeur ; Te : Température Température de l’eau souhaitée après après condensation ; Tv : Température de la vapeur surchauffée.
La résistance globale
Cette résistance est donnée par la formule formule suivant : r = coefficient de film interne r i + coefficient d’encrassement rd. Des valeurs valeurs de r, ri et rd sont rassemblés pour divers effluents dans le tableau A2.3.6. Le coefficient coefficient d’échange d’échange global U (Kcal/h.m2.°C) (Kcal/h.m2.°C) de l’aéroréfrigéra l’aéroréfrigérant nt avec : 1 U
r
r
r
r
i d m a
Expression dans laquell laquelle e: rm : Résistance au transfert due au métal qui est est le plus souvent égale à : 0,00015 (h.m2.°C/Kcal). ra : Coefficient de film externe, externe, c'est-à-dire c'est- à-dire de l’air. Le tableau A2.3.7 en fournit la valeur valeur en fonction du rapport rapport : T1 t a U
Différence de température logarithmique moyenne (°C) Cette différence est calculée par la formule formule suivante :
DTLM
T1 t h T2 t a T t ln 1 h T2 t a
Avec Avec t h : Température de l’air quittant l’aérocondenseur. Cette différence de température logarithmique moyenne est corrigée par le facteur F qui dépend des des paramètres paramètres R et P, et tiré des abaques abaques de la figure A2.3.7. Avec Avec :
R
T1 T2 T1 t a
,
58
P
th
ta
T1 T2
Cette surface d’échange A est donnée donnée par l’expression suivante :
A
Q U DTLMcorrigée
Avec Avec : A : (m (m2) ; Q : (K (Kcal/h cal/h)) ; U : (Kcal. (Kcal.h. h.m m2.°C) .°C) ; DTLM DTLM : (°C). (°C). La puissance absorbée par le moteur du ventilateur est donnée par l’expression suiva suivant nte e: Pabs
K S
Avec Avec : Pabs : Puissance absorbée par le moteur S : la charge calorifiq calorifique ue réduite réduite K : Coefficient détermin déterminé é à partir de l’abaque l’abaque de la figure A2.3.8 A2.3.8,, connaissant connaissant les valeurs de R et r. Pour des faisceaux courants courants dont la longueur longueur de tube est est de 10 m, m, la largeur (l) est en première approximation donnée en fonction de Pabs par la relation suivante suivante : l 0,112 Pabs Avec Avec l exp expri rim mé en en m. m. Le prix de base est établi pour pour les conditions suivantes suivantes : Tubes : longueur 10 m, diamètre extérieur 1 in ( 25,4 mm), mm), matériau acier ordina ordinaire ire ; Nombres Nombres de rangées rangées 6 ; Pression Pression de service : inférieure inférieure à 10 bar bar ; On détermine détermine tout d’abord le coefficient de coût C à l’aide de la figure A2.3.9, connaissant R et r. Le prix de base en € mi-2000, hors taxes, départ usine, est donné donné par l’expression suiva suivant nte e:
59
Prix de base (€ mi-2000) 0, 35 35 C S . Selon les caractéristiques techniques de l’aérocondenseur considéré, on est amené à multiplier le prix de base par un ou plusieurs des facteurs correctifs dans les tableaux A2.3 A2.3.8 .8.. On a ainsi ainsi : Prix de l’aérocondenseur = Prix de base
fe fp f l f N f m
Avec Avec : f e : Facteur correctif correctif d’épaisseur d’épaisseur des tubes tubes ;
f p : Facteur Facteur correc correctif tif de pressi pression on ;
correctif de longueur longueur des tubes ; f l : Facteur correctif nombre de rangées ; f N : Facteur correctif suivant le nombre f m : Facteur correctif suivant la nature du matériau employé.
Ces facteurs correctifs sont tirés respectivement des tableaux A2.3.8, a, b, c, d et e.
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Le dimensionnement des conduites repose sur la connaissance du débit pompé, la nature du fluide et la vitesse admissible avec laquelle il peut être transporté. Le diamètre interne d’une conduite circulaire est donné par l’expression suivante : di
4Q
.
Avec Q : Débit (m3/s) : Vitesse d’écoulement dans la conduite (m/s) di : Diamètre de la conduite en (m)
Pour une eau chaude à une température de l’ordre de 80°C et une conduite en Inox, les pertes de charges linéaires sont calculées à partir de l’abaque suivant :
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Les pertes de charges singulières correspondant aux accidents de parcours dans les réseaux hydrauliques et sont exprimées par la relation suivante : Ps k
v2 2.g
Avec
Ps = perte de charge singulière en Pa
v = vitesse d’écoulement en m/s g = accélération de pesanteur m/s2 k = coefficient dépendant de la nature de la singularité (module de perte de charge)
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Dans le tableau ci-dessus, nous donnons les valeurs du coefficient k en fonction du type de la singularité et le diamètre du tube.
Pour les conduites de notre circuit, nous optons pour des coudes serrés à 90° (r/d=1,5) alors la valeur du coefficient k vaut : 1.
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Le dimensionnement des pompes repose sur la connaissance de la Hauteur Manométrique Totale qui est égale à la somme de l’élévation géométrique, des pertes de charges linéaires et des pertes de charges singulières et par la suite le calcul de l’énergie hydraulique utile. HMT H A H D H L H S
Avec H A : Charge hydraulique au point d’arrivée du fluide transporté ; H D : Charge hydraulique au point de départ du fluide transporté ;
HL : Pertes de charges linéaires ; H S : Pertes de charges singulières.
Après avoir évalué la HMT, la puissance hydraulique utile est donnée par l’expression suivante : P .g.Q.HMT
Avec P : puissance en (W) : Masse volumique du fluide (1000 kg/m3 pour l'eau) ; g = 9,8 m/s2 ; Q = débit en m3/s ; HMT : Hauteur Manométrique Totale (m H2O).
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